Астрономы оценили влияние космических лучей на атмосферу Титана

Астрономы нашли
подтверждение модели химического состава газов в атмосфере спутника Сатурна
Титана, которая учитывает галактические космические лучи в качестве отдельного
фактора. Высокоэнергетические частицы отличаются по проникающей способности от
ультрафиолета и магнитосферных электронов, что проявляется в образовании
молекул со смещенным соотношением изотопов азота. Результаты были получены при
анализе вспомогательных архивных данных, а проведение специальных наблюдений позволит
лучше разобраться с протекающими в оболочке одного из крупнейших спутников в
Солнечной системе реакциями, пишут авторы в препринте на сервере arXiv.org.

Титан — самый большой
спутник Сатурна, который также занимает второе место по размеру среди всех
спутников планет в Солнечной системе, уступая Ганимеду всего два процента. Этот
объект характеризуется атмосферой с очень сложным составом, в которой
наблюдается множество органических соединений. Из-за этого Титан часто
рассматривается как одной из наиболее перспективных с точки зрения поисков
примитивной внеземной жизни мест.

Титан также может быть
интересен сугубо с технической точки зрения в качестве опорного источника. Например,
массив субмиллиметровых телескопов ALMA использует его для калибровки. Это необходимо, так как в рабочем диапазоне
длин волн этой установки расположено множество линий поглощения простых
молекул, например воды. Чтобы минимизировать их эффект, ALMA расположена в высокогорной пустыне в Чили, но и
тут погодные условия меняются. Для оценки их влияния телескопы регулярно наводятся
на изученные объекты с известной яркостью, такие как Титан. В результате в
архивных данных ALMA хранится
множество измерений Титана, которые были получены в рамках вспомогательных
наблюдений.

Японские астрономы при
участии Такахиро Иино (Takahiro Iino) из Токийского университета использовали
калибровочные наблюдения Титана для изучения состава его атмосферы. Конкретно
ученых интересовало соотношение изотопов азота в молекулах ацетонитрила CH3CN,
которое оказалось на уровне 125, что говорит о действии дополнительного
фактора, так как избыток азота-14 над азотом-15 в молекулах цианистого водорода
HCN и цианоацетилена HC3N находится на значительно меньшем уровне — около 80.

Наиболее распространенным
соединением азота в атмосфере Титана является цианистый водород. По современным
представлениям множество других соединений возникает в результате реакций,
которые инициируются атомами азота, появляющимися в результате диссоциации
молекул N2. Ученые
выделяют три возможных воздействия, способных вызвать разрушение молекулы:
ультрафиолетовое излучение, магнитосферные электроны и галактические космические
лучи.

Реакции, ответственные за
синтез различных азотсодержащих молекул, могут зависеть от условий. В
частности, модели предсказывают, что промежуточным веществом для появления ацетонитрила
является соединение CH2CN, которое образуется при реакции атомарного азота
только с радикалами C2H3, а не с наиболее распространенным CH3. Из-за этого
данные реакции должны протекать только при высоком давлении на относительно небольшом
расстоянии от поверхности Титана. Однако так глубоко в атмосферу не проникают
ни ультрафиолетовые фотоны, ни разогнанные магнитным полем электроны.

Параметры фотодиссоциации
могут зависеть от изотопного состава: ультафиолет плохо разрушает содержащие
азот-14 молекулы в верхних слоях, в то время как электроны делают это в десять
раз эффективнее; в то же время молекулы с азотом-15 намного чаще распадаются
при взаимодействии с фотонами. В отличие от этих взаимодействий галактические
космические лучи не различают изотопы и действуют на все одинаково. Получается,
что на больших высотах, где ультрафиолет оказывается основным фактором, все
азотсодержащие молекулы должны быть в одинаковой степени обогащены по редкому
изотопу, а на глубинах, куда могут проникнуть только космические лучи, редкого
изотопа должно быть меньше.

В результате для ацетонитрила,
цианистого водорода и цианоацетилена предсказывается одинаковое отношение
изотопов на уровне в 80 на больших высотах, но только для ацетонитрила, который
синтезируется глубоко в атмосфере, оно должно увеличиваться до примерно 120 на
расстоянии около 200 километров от поверхности. Для цианистого водорода и цианоацетилена
измерения уже были проведены и они согласуются с предсказаниями.

Концентрации молекул ацетонитрила
испытывают существенные временные и пространственные колебания в атмосфере
Титана, из-за чего соотношение изотопов в них можно надежно установить только
на основе информации, собранной одновременно для молекул с разными изотопами. Японские
ученые смогли обнаружить в калибровочных данных ALMA линии, соответствующие вращательным переходам CH3CN и CH3C15N, которые были
порождены молекулами на высотах от 160 до 400 километров. Анализ показал, что
азот-14 встречается в этих соединения в 125 раз чаще, чем азот-15, однако
остаются высокие ошибки от +145 до −44, связанные с недостаточным качеством
данных.

Астрономы отмечают, что
проведение специальных наблюдений Титана позволит получить намного более точные
результаты. Это позволит проверить другие предсказания моделей, такие как
высокие градиенты соотношения изотопов и бимодальность их распределения в
молекулах. Также космические лучи считаются важным фактором для химии и других небесных
тел, например, Нептуна. Подобные явления могут оказаться весьма распространенными
во Вселенной.

Ранее ученые составили первую геоморфологическую карту Титана, объяснили исчезающие острова Титана и назвали самосборку протоклеточных мембран на Титане невозможной.

Поделиться: